智能传感器理论基础及应用

1.1传感器技术概述

人类可以通过感官来感知自然环境的变化，但是人类的感知范围受到自然界的限制。为了更好地认识世界，传感器应运而生，它的运用延伸了人类的感官功能。例如，红外线传感器能够检测超出人类已知色谱范围的光线；超声波传感器能够检测出人耳接收范围以外的超声波。经过几十年的蓬勃发展，传感器技术已经应用到了人们的日常生活，并发挥着不可替代的作用。传感器经常在恶劣的环境条件之下工作，如应用于水下勘探、核反应堆及生物医学领域。在这些极端条件下，传感器时常造成设备产生不准确的输出信号，导致信噪比较低。在对传感器输出信号进一步应用之前，往往需要把传感器信号放大、滤波和处理。在测控系统中，传感器提供的模拟信号通过调理电路，再经过数字总线连接到控制器；处理器负责数据解析并进行决策，再由执行器实施。典型测控系统的基本结构如图1-1所示。可以看出，由于传感器是感知被测参数的源头，传感器测量值的准确性和稳定性将直接影响测控系统的性能，因此传感器在测控系统中的作用举足轻重。

1.2现代传感器技术

1.2.1现代传感器技术特征与传统传感器的制作工艺完全不同，20世纪70年代开始发展起来的现代传感器技术以既有优良电性能又有极好力学性能的硅材料为基础，采用微米级的微机械加工技术(包括硅的各向异性刻蚀技术、干湿法刻蚀技术、控制腐蚀深度的自停止技术、形成空腔/梁等可动三维结构的牺牲层技术、将分离件整合的键合技术等）代替传统的车削、铣削、铯削、磨削、焊接等宏观加工工艺。国外，把它称为专用集成微型传感技术。由现代传感器技术制作的敏感元件也是微机电系统（Micro-Electronic Mechanical System,MEMS）技术的开端。由现代传感器技术制作的传感器通常称为集成传感器或固态传感器，例如，已作为工业产品的集成传感器有20世纪70年代美国霍尼韦尔公司生产的硅压阻式传感器、20世纪90年代初日本横河电机株式会社生产的硅谐振式传感器、20世纪90年代末美国罗斯蒙特及日本富士公司生产的硅电容式压力(差）传感器，以及美国摩托罗拉公司生产的硅加速度传感器等。1.2.2集成/固态传感器的特点（1）微型化。微型压力传感器已经小到可以放在注射针头内送进血管测量血液流动情况，还可以装在飞机或发动机叶片用于测量气体的流速和压力。美国最近研究成功的微型加速度计可以使火箭或飞船的制导系统的质量从几千克下降至几克。（2）结构一体化。压阻式压力（差)传感器是最早实现一体化结构的。传统的制作方法是由宏观机械加工金属圆膜片与圆柱状环，然后把二者粘贴形成周边固支结构的“硅杯”，最后在金属圆膜片上粘贴电阻变换器(应变片)而构成压阻式压力（差)传感器，这一制作过程不可避免地存在蠕变、迟滞、非线性特性。采用微机械加工和集成化工艺，不仅使“硅杯”一次性成型，而且电阻变换器与“硅杯”是完全一体化的，进而可在“硅杯”非受力区制作调理电路、微处理器单元甚至微执行器，从而实现不同程度的一体化甚至整个系统的一体化。（3）精度高。比起分体结构，传感器结构本身一体化后，迟滞、重复性指标大大改善，时间漂移大大减小，精度提高。后续的信号调理电路与敏感元件一体化后可以大大减小由引线长度带来的寄生参量的影响，这对电容式传感器有特别重要的意义。(4）多功能。微米级敏感元件结构的实现特别有利于在同一块硅片上制作不同功能的多个传感器。例如，压阻式压力（差）传感器是采用微机械加工技术最先实现应用的集成传感器，但是它受温度与静压的影响，总精度只能达到0.1%。相关科研人员致力于改善它的温度性能，花费了20余年时间却无重大进展。美国霍尼韦尔公司发展了多功能敏感元件，它在20世纪80年代初期研制成功的ST-3000型智能变送器，就是在一块硅片上制作了能……